Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UC Santa Barbara) провели поиск микроскопических черных дыры на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Эти гипотетические объекты должны быть крайне малы и существовать ничтожно короткое время. Если бы их удалось получить на БАК, это помогло бы ученым приблизиться к решению фундаментальных вопросов о пространстве-времени и гравитации.
«Если бы мы нашли доказательства, мы могли бы приступить к прямому изучению квантовой гравитации, — заявил Тамаш Вами, исследователь эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid), работающий над постдокторским проектом под руководством профессора физики UCSB Джо Инканделы. — Это шаг к объединению всех известных фундаментальных сил, что было целью физиков более ста лет». Поиск не выявил признаков квантовых черных дыр. Однако в физике элементарных частиц отсутствие сигнала тоже дает важную информацию, позволяя исключить целые области, где эти объекты могли бы существовать.
«Это не тупик, — сказал Дaни Чжан, аспирант-исследователь лаборатории Инканделы. — Результат представляет собой предел исключения, что является реальным, публикуемым утверждением: «Если бы эта штука существовала с такими свойствами, мы бы ее увидели. Мы не увидели, значит, можем исключить ее здесь». Это подлинное знание о том, как устроена Вселенная». Одна из главных загадок фундаментальной физики связана с огромной разницей между масштабами наблюдаемой Вселенной и планковским масштабом — фундаментальным энергетическим уровнем, связанным с квантовой гравитацией.
Некоторые физики предполагают, что эту разницу можно объяснить новой физикой или неизвестной симметрией. Важно, что часть таких эффектов могла бы проявиться при энергиях, доступных БАК. Годы экспериментов уже исключили многие теоретические возможности, и продолжающееся отсутствие явных признаков новой физики на БАК стало серьезным вызовом для исследователей. Но подобное случалось и раньше: периоды, когда существующие теории не могли объяснить наблюдения, иногда приводили к радикально новым концепциям, включая теорию относительности Эйнштейна. По этой причине ученые считают отрицательные результаты важной частью научного прогресса. Каждый из них сокращает число жизнеспособных вариантов и помогает определить, где искать дальше. Результаты Вами и Чжана опубликованы в журнале Progress in High Energy Physics (PHEP).
Возможность рождения черных дыр на БАК обсуждается около двух десятилетий. Физики предположили, что если сконцентрировать достаточно энергии в крайне малой области и если существуют дополнительные пространственные измерения (уже требуемые в теории струн), то квантовые черные дыры могут возникать при триллионах протон-протонных столкновений, создаваемых ускорителем. Эти объекты были бы совершенно не похожи на огромные астрофизические черные дыры, разбросанные по Вселенной. «Они не задерживались бы надолго — если вы создали одну, она немедленно распалась бы», — пояснил Стивен Гиддингс, физик-теоретик из UCSB, эксперт по парадоксальным следствиям объединения квантовой механики с гравитацией и один из немногих ученых, кто в то время предположил, что при определенных условиях такие крошечные пустоты в пространстве-времени могут существовать.
Когда ученые впервые заговорили о такой возможности, идея была широко неверно понята. Общественная обеспокоенность сосредоточилась на том, что БАК может создать стабильные черные дыры, хотя рассматриваемые физиками квантовые черные дыры исчезали бы практически мгновенно. «Люди больше фокусировались на классическом поведении черных дыр», — сказал Гиддингс, имея в виду массивные пустоты в пространстве-времени, области экстремальной гравитации, способные поглощать целые звезды, расти и сливаться. Гипотетические черные дыры, рожденные на БАК, возникали бы вместо этого из протон-протонных столкновений в сочетании с эффектами дополнительных пространственных измерений, которые никогда не наблюдались. Создание любой черной дыры требует сжатия большого количества энергии в крайне малом объеме. «Так что нужно, чтобы сделать черную дыру? Ну, вы должны сжать некоторую энергию в действительно малый объем», — объяснил Гиддингс. Этот «действительно малый объем» мог бы простираться через два или более гипотетических пространственных измерения, слишком маленьких, чтобы люди могли обнаружить их в нашей реальности 3+1 измерений.
Такие дополнительные измерения предлагались как один из возможных ответов на проблему иерархии — давний вопрос физики о том, почему гравитация значительно слабее других фундаментальных сил. Одна из возможностей состоит в том, что гравитация не является изначально такой слабой, как кажется. Вместо этого часть ее силы могла бы «утекать» в эти дополнительные измерения. Если бы это было так, планковский масштаб мог бы оказаться гораздо ближе к энергетическим масштабам, доступным физикам экспериментально. «По сути, гравитационная сила становится сильнее и быстрее по мере перехода к более коротким расстояниям», — сказал Гиддингс. Но одной более сильной гравитации было бы недостаточно. Ученым также потребовалось бы сконцентрировать огромную энергию в исключительно малом объеме. Именно здесь Большой адронный коллайдер становится важным.
БАК разгоняет протоны до колоссальных энергий, прежде чем столкнуть их друг с другом. Эти столкновения дают физикам доступ к чрезвычайно малым расстояниям. «На БАК мы сталкиваем частицы при чрезвычайно высоких энергиях, что соответствует крошечным масштабам расстояний, — сказал Инкандела. — Как и в микроскопии, более высокие энергии означают меньшие длины волн, позволяя исследовать меньшие расстояния». Исследователи изучают масштабы вплоть до 10-20 метров на БАК — расстояние, которое относится к атому так же, как атом относится к человеку. «Дополнительные измерения не обязательно должны быть такими маленькими, — продолжил Инкандела, — а значит, протон-протонные столкновения на БАК могли бы подвергаться их влиянию». Если бы гравитация становилась достаточно сильной на этих масштабах и достаточное количество энергии концентрировалось в достаточно малой области, пространство-время теоретически могло бы свернуться само в себя и породить квантовую черную дыру.
Проблемы безопасности, связанные с этой идеей, в конечном итоге были сняты благодаря подробным отчетам и сравнениям с космическими лучами сверхвысоких энергий. Эти естественные частицы бомбардируют верхние слои атмосферы Земли и другие астрономические объекты с огромными энергиями, не производя опасных эффектов. Такие сравнения показали, что столкновения частиц высоких энергий не представляют угрозы черных дыр. Любые квантовые черные дыры, рожденные в рамках предложенных моделей, испарялись бы практически мгновенно. Тем не менее их крайне краткое существование могло бы оставить обнаружимые следы в частицах, образующихся при их распаде. Предыдущие поиски в экспериментах ATLAS и CMS не нашли таких доказательств, но те исследования располагали гораздо меньшими наборами данных. Сейчас, когда доступно значительно больше данных о столкновениях, исследователи смогли вести поиск при более высоких энергиях и повысить шансы увидеть исключительно редкое событие рождения квантовой черной дыры, если такие события происходят.
Этот поиск в конечном счете связан с одной из крупнейших нерешенных проблем современной физики. «У нас есть две большие теории, описывающие природу, — сказал Тамаш Вами. — Если вы хотите описать что-то маленькое, вы обращаетесь к квантовой теории поля. У нас есть Стандартная модель для описания всех частиц, и она исключительно хорошо работает на практике. А когда вы переходите к очень-очень большому, у вас есть общая теория относительности, описывающая поведение больших и массивных объектов». Физики десятилетиями пытаются объединить эти框架 в единое описание природы. Сложность в том, что квантовая физика обычно описывает чрезвычайно малые объекты, тогда как общая теория относительности становится наиболее важной для очень массивных. Цель — так или иначе слить две теории в единую унифицированную теорию, сказал Вами, «и это действительно трудно сделать, потому что не часто возникает ситуация, которая была бы одновременно крошечной и чрезвычайно тяжелой». Микроскопические черные дыры могли бы обеспечить именно такое сочетание. Они были бы достаточно малы, чтобы квантовые эффекты стали важны, и одновременно концентрировали бы достаточно массы и энергии, чтобы гравитация имела значение.
Исследователи проанализировали данные детектора CMS, собранные в период с 2016 по 2018 год, и использовали два подхода для поиска свидетельств квантовых черных дыр. Один включал свойство под названием сферичность. «Вы создаете черную дыру, и она немедленно распадается. Но у нее очень сферическая сигнатура распада — множество частиц разлетается во все стороны». Другим ключом было бы необычно большое количество энергии в частицах, образовавшихся при столкновении. «Мы знаем, что черные дыры очень высокоэнергетичны, — сказала Дaни Чжан. — Так что мы просто берем энергию этих частиц, которые являются продуктами распада того, что было создано при столкновении, и суммируем их. И если сумма достаточно велика, мы можем сказать, что это область, где мы, вероятно, найдем сигнал». Такие необычные паттерны событий также дали возможность применить новый аналитический метод, известный как «фазово-пространственное расстояние», разработанный теоретиком элементарных частиц из UCSB Натаниэлем Крейгом и его коллегами. Метод работает с системой машинного обучения под названием машина опорных векторов (Support Vector Machine), которая помогает исследователям отличать возможные сигнальные события от огромного фона обычных столкновений частиц высоких энергий. В физике элементарных частиц «фазовое пространство» — это многомерное математическое представление, включающее такие свойства, как пространство, время, энергия и импульс, в описание системы частиц.
«Мы разработали идею фазового пространства между событиями, которую можно объединить с машиной опорных векторов, чтобы помочь поиску», — сказал Крейг. Метод преобразует расстояния между событиями в единую меру, называемую оценкой машины опорных векторов. События с более высокими оценками с большей вероятностью напоминают сигнал, который ищут ученые. Это исследование стало первым случаем применения метода фазово-пространственного расстояния в анализе данных по физике элементарных частиц. «Мы сравнили фазово-пространственное расстояние с переменной сферичности, и наш вывод таков: фазово-пространственное расстояние превосходит сферичность», — сказала Чжан. Подход также отличается от некоторых систем машинного обучения типа «черный ящик» тем, что является контролируемым. Исследователи могут изучить математику, породившую результат, вместо того чтобы просто принять необъясненный вывод.
Поиск в конечном счете не нашел доказательств рождения квантовых черных дыр. Исходя из рассмотренных теоретических моделей, результат означает, что квантовые черные дыры маловероятны вплоть до примерно 12 ТэВ (тераэлектронвольт). Это также накладывает ограничения на некоторые теории, включающие дополнительные пространственные измерения. Эти ограничения научно ценны, поскольку исключают части диапазона, в котором могли бы работать такие теоретические модели. Теория струн, например, предполагает в общей сложности 10 измерений. «Но эти измерения говорят, что, при допущении параметров рассмотренных нами теорий, вы не можете иметь более двух», — сказал Вами. «Теории не предсказывают один точный ответ, — добавила Чжан. — Они предсказывают целый диапазон мест, где частица могла бы скрываться. Каждый поиск очищает часть этого диапазона и говорит «не здесь», и со временем карта того, где новая физика еще может быть, сжимается». Этот процесс исключения неоднократно играл важную роль в физике элементарных частиц. Бозон Хиггса был открыт в 2012 году только после десятилетий экспериментов, постепенно исключавших одну энергетическую область за другой. Исключая возможности, физики могут улучшать свои теории, разрабатывать новые модели и проектировать лучшие эксперименты и детекторы.
На данный момент проблема иерархии остается нерешенной. Без дополнительных измерений, по оценке Гиддингса, столкновения частиц должны были бы достичь примерно миллиона миллиардов раз большей энергии, чем currently достигается на БАК, чтобы произвести даже самые маленькие черные дыры, масса которых измерялась бы в микрограммах. «Теоретики будут продолжать генерировать идеи, и, возможно, мы добьемся большего в понимании вещей без экспериментальных данных, но это будет трудно, — сказал Гиддингс. — Лучший ориентир — экспериментальные данные, и именно их мы действительно хотели бы иметь», чтобы изучать квантовую гравитацию, которую он называет «самой глубокой проблемой теоретической физики». Проверяя столкновения при некоторых из самых высоких доступных на сегодня энергий, Вами и Чжан смогли подтолкнуть Стандартную модель к ее пределам. Их результаты дают новые ориентиры для будущих поисков квантовых черных дыр как возможного решения проблемы иерархии. Не менее важно и то, что работа показывает: метод фазово-пространственного расстояния можно шире использовать для поиска незнакомых частиц, необычных взаимодействий и других редких явлений.
Исследователи также использовали то же исследование для охоты на сфалероны. Сфалероны — это не частицы. Вместо этого это теоретические нестабильные конфигурации полей частиц, которые, как и квантовые черные дыры, должны были бы производить относительно сферические энергетические паттерны. Они потенциально могли бы помочь объяснить другую крупную загадку: почему Вселенная содержит материю. Согласно текущему пониманию, Большой взрыв должен был произвести материю и антиматерию в равных количествах. Эти две формы материи затем должны были бы аннигилировать друг с другом, оставив после себя энергию, а не наполненную материей Вселенную, которую мы видим сегодня. Это несоответствие известно как проблема материально-антиматериальной асимметрии. Исследователи не нашли доказательств процессов с участием сфалеронов. Это отсутствие позволило им установить ограничения на то, сколько взаимодействий частиц потенциально могут включать сфалеронные переходы.
Будущие эксперименты могли бы значительно прод